廢冶金渣膠結(jié)料處治高含水率海相黏土試驗(yàn)研究

趙翔，陳冠一,2，楊和平 編譯

(1.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.廣東鴻高建設(shè)集團(tuán)有限公司)

1 前言

圍海造陸是人類利用海洋空間最古老的方法之一。從19世紀(jì)開始，圍海造陸就成了新加坡拓展土地的主要方法。20世紀(jì)70年代以來，新加坡拓展的新土地已超過100 km2，近來還計(jì)劃到2030年再填造100 km2的土地。圍海造陸一般分3個(gè)階段進(jìn)行：首先在規(guī)劃回填區(qū)修建圍堰，接著向圍堰內(nèi)吹填礁砂或回填土等填筑材料，陸域形成后再做地基處理使之符合建筑用地標(biāo)準(zhǔn)。過去填海造陸主要采用砂礫做填筑材料，近年來因粒狀填料的缺乏，海底疏浚的軟土或海相黏土也被用作造陸填料(Chu和Guo，2016)。利用軟土或泥漿填海造陸可減少航道維護(hù)疏浚處理時(shí)產(chǎn)生軟土或泥漿對環(huán)境的影響，但回填場區(qū)必須做好軟基處理方可支持將來的建筑活動(dòng)。所謂軟基處理就是將承載力較小且壓縮性較大的地基土加固到滿足承受工程荷載和所需抗剪強(qiáng)度的要求。工程實(shí)踐中處理軟基的方法有多種，早年常用的主要有加筋土法、排水固結(jié)法、強(qiáng)夯法、真空預(yù)壓法等，但這些方法較費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本較高，故近年用添加劑固結(jié)軟土的化學(xué)加固法越來越受歡迎。以往水泥是應(yīng)用較廣的添加劑，能顯著改善原位軟土的剪切強(qiáng)度和壓縮性 (Chew 等 2004；Chu等2005；Han 和 Thakur，2013)，但處治高含水率軟土需要大量水泥，用于工程加固過于昂貴，所以許多工程通過加入一些外摻劑來提高固化水平，如摻入工業(yè)廢料電石渣和鐵尾礦渣等，既能減少水泥用量，又可解決工業(yè)廢料的處理，且還能提高固化土的力學(xué)性質(zhì)。鑒于此，該文研究找尋更經(jīng)濟(jì)合理的水泥替代品，并一道解決工業(yè)廢料的再生利用問題。用水泥或其他膠結(jié)料處治軟基，對處治后填料的力學(xué)要求是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度大于等于200 kPa，與堆載預(yù)壓法處理要求相當(dāng)，環(huán)保要求則是避免將任何其他可浸出的污染物帶到地上。

另一種考慮是探索能否在軟基處置階段(即泥漿狀態(tài)時(shí))而不是在填海造陸之后再進(jìn)行處治，以避免土質(zhì)改善過程中雙重處治帶來的時(shí)間與成本耗費(fèi)。為此，制備了含水率100%～200%可與泥漿相比原用于填海造地的軟黏土樣。此外，選擇在泥漿狀態(tài)下處治軟土的另一原因是為有效地改善泥漿狀土，膠結(jié)料必須與軟黏土充分混合，而泥漿土含水率越高則需更多的膠結(jié)料來處治。該研究的目的是確定水泥和膠結(jié)料所需的最佳配合比而使不同初始含水率的軟黏土均能達(dá)到預(yù)期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

該文提出采用廢冶金渣膠結(jié)料替代水泥處治高含水率海相黏土的潛在用途，還研究各膠結(jié)料劑量對改善不同含水率軟黏土的效果。對比分析相同條件下采用廢冶金渣膠結(jié)料處治及用水泥處治的海相黏土其不排水抗剪強(qiáng)度的增加差異，并用掃描電子顯微鏡(SEM)對廢冶金渣膠結(jié)料處治海相黏土的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以確定滿足設(shè)計(jì)要求的廢冶金渣膠結(jié)料適宜摻量。

2 原材料

研究使用的海相軟黏土采集于新加坡一個(gè)填海工程工地。這些軟黏土最初從附近海底被疏浚，然后擬作填料用泵抽入填海造陸基坑，其基本性質(zhì)及指標(biāo)見表1。X射線能量色散譜測試結(jié)果表明：該海相黏土含有高含量的碳酸鈣和二氧化硅以及一些氧化鋁。

表1 新加坡原位海相軟黏土的性質(zhì)

研究中使用的廢冶金渣膠結(jié)料從中國南京理工大學(xué)獲取，是一種粉末狀聚合物改性的硅酸鹽基化學(xué)品。其主要成分為含有硅、鋁、鈣和一些有機(jī)物的廢冶金渣，表2為其詳細(xì)化學(xué)組成。將它用于地基處治比用水泥更環(huán)保，因其pH值相對較低，為8～10，而水泥的pH值達(dá)12～13；且其化學(xué)需氧量較低，僅為50 mg/L，水泥則需90 mg/L。研究中所用普通硅酸鹽水泥由奧爾堡·波特蘭·馬來西亞公司提供，主要用于對比試驗(yàn)。

表2 所用膠結(jié)料的詳細(xì)化學(xué)成分

3 樣品制備和測試方法

3.1 兩種樣品

按美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)2017年提出的試驗(yàn)方法(D1632-17)制備了土-膠結(jié)料和土-水泥兩種樣品，所有樣品均按所需含水率和添加劑量制備。用于填海造陸的淤泥質(zhì)土含水率的范圍為100%～200%。制備時(shí)先將所需水加入海相黏土樣并徹底攪拌，即可得含水率100%、150%、200%的黏土漿料；后將設(shè)定劑量的膠結(jié)料或水泥摻入到土中并充分?jǐn)嚢杌旌稀Ｑ芯恐心z結(jié)料或水泥與土的重量比均為10%、20%、30%。

接著將混合土裝入高100 mm、直徑50 mm的PVC筒內(nèi)，此時(shí)要注意先去除封閉氣泡和空隙，后用橡膠蓋頭密封筒的兩端并用保鮮膜包裹，以防水分流失并減少膠結(jié)料與外界接觸。將樣品放入20 ℃和濕度高于90%的養(yǎng)護(hù)室中，分別養(yǎng)護(hù)7、14和28 d。表3為此次研究開展不同分析試驗(yàn)所用膠結(jié)料以及水泥的含量及其養(yǎng)護(hù)時(shí)間。

表3 各分析試驗(yàn)中使用的膠結(jié)料及水泥含量和養(yǎng)護(hù)期

3.2 試驗(yàn)方法

按美國材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)D2166-06的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)方法，分別對膠結(jié)料處治海相黏土樣品養(yǎng)護(hù)7、14和28 d后測試無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。試樣直徑、高分別為38、 76 mm，施測時(shí)豎直位移速率固定為1 mm/min，直至試樣破壞。

為研究膠結(jié)料處治海洋黏土的界面形態(tài)，用東京電子JSM-7600F超高分辨熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡，檢測未經(jīng)處治及膠結(jié)料處治海相黏土表面形態(tài)和微觀結(jié)構(gòu)，并完成對5%和10%膠結(jié)料含量土樣的對比分析，以獲得極少膠結(jié)料含量能使土樣微觀結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的差異。為盡量減少擾動(dòng)土樣的微觀結(jié)構(gòu)，做掃描電鏡分析之前先用冷凍干燥法干燥土樣，后用銀電膠將樣品置于鋁制存根上，再從中切開用環(huán)氧樹脂剝離，并涂上一層碳后進(jìn)行濺射噴涂金膜處理。給每個(gè)測試樣品拍攝一組放大數(shù)倍的圖片，供分析處治后土樣基質(zhì)概貌并方便觀察土粒子間行為。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖1為不同養(yǎng)護(hù)期處治土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與其初始含水率間的關(guān)系。圖2為初始含水率為100%、150%和200%時(shí)處治土經(jīng)不同養(yǎng)護(hù)期后的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。

由圖1、2可知：膠結(jié)料處治土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)期的增長而增大。養(yǎng)護(hù)7 d，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與水泥處治黏土的相當(dāng)。然而養(yǎng)護(hù)14、28 d，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度遠(yuǎn)大于相同養(yǎng)護(hù)期給定初始含水率水泥處治黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度。膠結(jié)料處治海相黏土養(yǎng)護(hù)14、28 d的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度為水泥處治黏土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的1.2～1.5倍。達(dá)到相同無側(cè)限抗壓強(qiáng)度，膠結(jié)料處治海洋黏土的養(yǎng)護(hù)時(shí)間比水泥處治海洋黏土的可縮短約20%。

圖1 不同養(yǎng)護(hù)期處治土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

圖2 不同初始含水率的處治土無側(cè)限抗壓強(qiáng)度

由圖2可知：當(dāng)采用廢冶金渣膠結(jié)料時(shí)，為滿足200 kPa無側(cè)限抗壓強(qiáng)度要求，對處治泥漿或200%初始含水率的土，膠結(jié)料的比率為30%需養(yǎng)護(hù)14 d，或取膠結(jié)料比率為20%，則養(yǎng)護(hù)期要28 d；如采用水泥處治則水泥的比率要30%且需養(yǎng)護(hù)28 d。若限制土樣初始含水率為150%，此時(shí)廢冶金渣膠結(jié)料處治的最佳配合比是膠結(jié)料占20%且最佳養(yǎng)護(hù)期為28 d。

圖3為處治后黏土不同養(yǎng)護(hù)期的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度與含水率的關(guān)系。由圖3可知：廢冶金渣膠結(jié)料與水泥一樣能有效降低處治土的含水率；對處治相同的含水率黏土，膠結(jié)料含量越多其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度就越大。對同一含水率的黏土，經(jīng)廢冶金渣膠結(jié)料處治養(yǎng)護(hù)14或28 d，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度比水泥處治的要大。這表明與水泥處治相比，廢冶金渣膠結(jié)料處治土的后期增強(qiáng)性能更好。

4.2 界面的形態(tài)

圖4、5為測試樣品電鏡掃描顯微圖片。圖4為未經(jīng)處治海相黏土掃描電鏡對照圖片。圖5則為養(yǎng)護(hù)7、14、28 d膠結(jié)料處治黏土各自的電鏡掃描片。未處治樣(圖4)顯示呈絮凝狀的高度自由網(wǎng)絡(luò)中存在顆?；蚓w狀的黏土團(tuán)塊，孔隙中充滿了水。

圖3 處治后黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨含水率的變化

圖4 未處治海相黏土掃描電鏡對照圖片

由掃描電鏡分析可確認(rèn)膠結(jié)料的膠凝產(chǎn)物隨時(shí)間的增長而增多(Horpibulsuk等，2015；Hoy等，2016)。相比圖4，圖5顯示膠結(jié)料處治的海相黏土已獲得一個(gè)比純海相黏土更緊湊的鎖結(jié)基體，顯著地減小了土粒間的孔隙空間。這種微結(jié)構(gòu)的形成可能是因膠結(jié)料顆粒的填充，也可能是由膠結(jié)料水合產(chǎn)物(如水合硅酸鈣)將土粒黏在一起所致。土中反應(yīng)形成的填充空隙和物理化學(xué)鍵黏合導(dǎo)致了土顆粒間黏合及聯(lián)鎖力增大。純海相黏土與膠結(jié)料處治的海相黏土這些微結(jié)構(gòu)的差異可解釋膠結(jié)料處治海相黏土的強(qiáng)度為何會(huì)大于純海相黏土的強(qiáng)度。

圖5 膠結(jié)料處治黏土養(yǎng)護(hù)不同時(shí)期電鏡掃描圖片

圖5顯示：按5%、10%摻配的廢冶金渣膠結(jié)料處治海相黏土分別養(yǎng)護(hù)7、14和28 d的電鏡掃描圖片，可觀察到其構(gòu)造的變化：開始為大致光滑的球面到形成桿狀結(jié)構(gòu)并逐漸增多。表明較大膠結(jié)料比率處治土的構(gòu)造和微結(jié)構(gòu)隨時(shí)間或齡期會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)烈的反應(yīng)。隨養(yǎng)護(hù)期增長，土顆粒內(nèi)部會(huì)生成地聚產(chǎn)品( Fernandez-Jime和 Palomo，2009)。這種化學(xué)反應(yīng)能形成水合硅酸鈣和水合鋁酸鈣，類似波特蘭水泥的水化反應(yīng) (Cristelo等，2012)。由二氧化硅和氧化鋁間反應(yīng)得到的化學(xué)產(chǎn)物形成密集的膠結(jié)基質(zhì)將海相黏土粒結(jié)合在一起[見圖5(b)、(c)]，因而廢冶金渣膠結(jié)料處治海相黏土的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)期增長而增大(圖1、2)。

5 結(jié)論

(1) 廢冶金渣膠結(jié)料能有效處治高含水率黏土。養(yǎng)護(hù)14、28 d，膠結(jié)料處治的海相黏土比用同劑量水泥處治的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度提高了20%～50%。

(2) 除了能廢物利用并有好的經(jīng)濟(jì)效益外，廢冶金渣膠結(jié)料比水泥還具兩大優(yōu)勢：后期增強(qiáng)性能好；pH值較小且化學(xué)需氧量較低。

(3) 無側(cè)限壓縮測試結(jié)果表明：用摻量20%、養(yǎng)護(hù)28 d的廢冶金渣膠結(jié)料處治初始含水率200%的泥漿，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度可達(dá)200 kPa滿足設(shè)計(jì)要求。用水泥處治并要達(dá)到相同的效果，其摻量需更多，表明用廢冶金渣處治黏土土能節(jié)省大量成本。

(4) 膠結(jié)料處治黏土的微結(jié)構(gòu)表明：處治土的土粒間形成的鎖結(jié)基體，有助于增大膠結(jié)料處治土的抗剪強(qiáng)度。